JP2019184102A - 金属製錬炉及びその操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉体外郭サイズを変えることなく炉内溶湯保持容積を拡大し得る構成の金属製錬炉及びスラグ滞留時間の確保が容易でスラグロスの悪化を防止しカワ品位の維持、改善ができる操業方法の提供。【解決手段】金属製錬炉の炉内壁面側における熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置することにより、炉体の外郭サイズを変えることなく炉内容積の拡大を可能としたことを特徴とする金属精錬炉。金属精錬炉の炉内壁面の熱負荷分布を測定し、熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置する操業方法。【選択図】図７

Description

本発明は金属製錬炉及びその操業方法に関する。

金属製錬における金属製錬炉、例えば、銅製錬における自溶炉２００は、図１０に示すように、反応シャフト２０１、セットラ２０２及びアップテイク２０３から構成され、反応シャフト２０１には１〜３本の精鉱バーナ２０４が設けられている。そして、精鉱（製錬原料）を酸素富化空気あるいは高温熱風と同時に吹き込んで瞬間的に化学反応を起こさせ、比重差によってマットとスラグに分離する。自溶炉２００は精鉱の酸化反応熱を利用するため他の方法より燃料消費率が低いという特徴がある。処理する原料の品位、組成によっては、酸化反応熱だけでは熱量が不足することもあるため、精鉱バーナ２０４、２０４から重油等で助燃することもある。

マットには、通常、銅が６０〜７０％含まれており、このマットは自溶炉２００の底部近傍に複数連設して設けられたマットタップホール２０５，２０５から抜き出される。一方、スラグにも１％前後の銅が含まれているため、アップテイク２０３の下部側に設けられたスラグタップホール２０６からスラグを抜き出して錬かん炉２２０へ送って錬かんし、スラグに含まれる銅をマットとして回収し、自溶炉２００から抜き出されたマットとあわせて転炉で処理する。そして、電解精製によってさらに品位の高い電気銅が製造される。

この自溶炉２００のセットラ２０２の炉壁には熱的負荷がかかるため、炉壁に水冷ジャケットを配置して炉壁を構成する耐火物を冷却し、それによって耐火物の熱負荷の抑制を図ることが提案されている（特許文献１、２等を参照）。

特許第５４４１５９３号公報 特許第５５１１６０１号公報

昨今の銅製錬原料中のＣｕ％の低下、Ｆｅ％、Ｓ％の増加に起因して、これまでと同量の銅製錬原料を自溶炉で処理しても生産量が低下するとともに、炉内での反応熱量は増加する傾向にある。また、Ｆｅ％の増加により、生成するスラグ量の増加、スラグの滞留時間の低下が生じ、自溶炉内でのスラグとマットの分離時間が不足する可能性がある。そのため、スラグ中に懸垂するマット粒子が多い状態でスラグが炉外へ排出され、マット回収率の低下が生じ、製錬所の収益性を著しく悪化させる要因となることが懸念されている。例えば、これまではカワ品位が６５％で自溶炉を操業した場合にスラグ中に懸垂あるいは溶解状態で排出されて回収できないＣｕ分（以下、「スラグロス」という。）は０．８％未満であったが、今後処理量が増加した場合には、カワ品位が６３％と低い場合であってもスラグ滞留時間が不足し、スラグロスが０．９％にまで悪化し得ることが確認されている。したがって、今後はＣｕ生産量を維持しつつ、スラグロスを維持、改善するためにスラグ滞留時間を確保、或いは増加させることが望まれるが、滞留時間確保のために炉体を単に拡大するというのでは建屋自体の改造や付帯設備の大掛かりな改造が必要となり、非現実的である。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、従来の炉体外郭サイズを変更することなく炉内溶湯保持容積を拡大することが可能な金属製錬炉を提供することを目的とする。また、本発明は、スラグ滞留時間の確保が容易であり、スラグロスの悪化を防止して、これまでのカワ品位を少なくとも維持又は改善を図ることができる金属製錬炉の操業方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の本発明は、金属製錬炉の炉内壁面側における熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置することにより炉体の外郭サイズを変えることなく炉内容積の拡大を可能としたことを特徴とする金属製錬炉を提供する。

上記課題を解決するため請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の金属製錬炉において、炉内壁面側における熱負荷に応じてフィンの長さが異なる水冷ジャケットを配置したことを特徴とする。

上記課題を解決するため請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の金属製錬炉において、炉内壁面側における熱負荷の低い箇所に設置する水冷ジャケットのフィンの長さは熱負荷の高い箇所に設置するフィンの長さよりも相対的に短くしたことを特徴とする。

上記課題を解決するため請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の金属製錬炉において、前記水冷ジャケットは、炉外側に耐火層を設けることなく剥き出しの状態としたことを特徴とする。

上記課題を解決するため請求項５に記載の本発明は、金属製錬炉の炉内壁面側における熱負荷分布を測定するステップと、測定された熱負荷分布に基づいて熱負荷の異なる２以上のエリアに前記炉内壁面側を区分するステップと、区分されたエリアの熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置するステップとを含み構成されていることを特徴とする金属製錬炉の操業方法を提供する。

本発明に係る金属製錬炉によれば、従来の炉体外郭サイズを変更することなく炉内溶湯保持容積を拡大することができるという効果がある。また、本発明に係る金属製錬炉の操業方法によれば、スラグ滞留時間の確保が容易であり、スラグロスの悪化を防止して、これまでのカワ品位を少なくとも維持又は改善を図ることができるという効果がある。

本発明に係る金属製錬炉の一実施形態である自溶炉の概略正面断面図である。 水冷ジャケットの部分斜視図である。 水冷ジャケットを自溶炉に配置した状態の側面断面図である。 水冷ジャケットの炉外側を示す背面図である。 水冷ジャケットの平面図である。 比較例における熱負荷の分布を説明する図である。 （Ａ）は熱負荷の異なるエリアを説明する図であり、（Ｂ）はエリアごとの冷却フィンの長さを説明する図である。 冷却フィンが千鳥配置された状態を示す説明図である。 熱電対による温度監視の説明図である。 銅製錬における自溶炉の一例を示す概略正面断面図である。

以下、本発明に係る金属製錬炉及びその操業方法について、好ましい実施形態に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、金属製錬における金属製錬炉の一例として銅製錬における自溶炉及びその操業方法について説明する。

［自溶炉の構成］
図１は本発明に係る金属製錬炉の一実施形態である自溶炉の概略正面断面図である。図示された自溶炉１は、概略として、一端側に設けられた反応シャフト２と、他端側に設けられたアップテイク４と、反応シャフト２とアップテイク４の中間部に位置するセットラ３を備えて炉体が構成されており、自溶炉１の炉体全体は鋼材等の金属製材料によって形成されたシェル（缶体）によって形成されている。反応シャフト２は、略円筒形状とされ、その上部に精鉱バーナ７が配置されている。そして、精鉱バーナ７には酸素富化空気の供給部８が設けられている。反応シャフト２に精鉱バーナ７から酸素富化空気あるいは高温熱風と同時に精鉱（製錬原料）が吹き込まれると、瞬間的に化学反応が生起し、反応した精鉱（製錬原料）は比重差によってセットラ３の炉低部１ａ上でマット（下層）とスラグ（上層）とに分離される。セットラ３のマットレベルには不図示のマットタップホールが設けられ、セットラ３のスラグレベルには不図示のスラグタップホールが設けられる。スラグタップホールは不図示の錬かん炉に連結されており、スラグに含まれていた銅はマットとして回収される。一方、アップテイク４は、スラグ上層の排ガスを廃熱ボイラへ誘導して廃熱の回収を行い、冷却された排ガスは硫酸工場に送られる。なお、セットラ３の周壁には、図１に示すとおり、互いに連結された複数の水冷ジャケット１０が配置されており、これら複数の水冷ジャケット１０の周囲にはジャケットを保持するための複数のバックステイ２ａが配置されている。本実施形態では、セットラ３の周壁に配置された水冷ジャケット１０を主として説明するが、反応シャフト２の周壁にも適当な水冷ジャケットが配置されている。

［水冷ジャケットの構成］
図２は、水冷ジャケット１０の部分斜視図、図３は、水冷ジャケット１０を自溶炉１に配置した状態の側面断面図、図４は、水冷ジャケット１０の炉外側を示す背面図、図５は、水冷ジャケット１０の平面図である。
図示された水冷ジャケット１０は、概略として、内部に冷却水路１１を備えたジャケット本体２０と、ジャケット本体２０の表面から炉内側へ突出するようにして形成された複数の冷却フィン３０を備えて形成されている。ジャケット本体２０と冷却フィン３０は、ジャケット本体２０の内部に冷却水路１１となる金属パイプを内装した状態で一体鋳造することによって形成されている。また、互いに隣接する冷却フィン３０の間隙（スペース）３２には耐火物層（後述）が充填される。ジャケット本体２０と冷却フィン３０及び冷却水路１１は熱伝導性が高い金属、例えば銅によって形成すると、冷却フィン３０やジャケット本体２０が冷却水路１１内を流通する冷却水によって耐火物層を効率的に冷却することができる。

また、図４に示すように、複数の水冷ジャケット１０の各々は、３つのパーツ（以下、水冷ジャケット１０ａ，１０ｂ，１０ｃという。）を横方向に相互に連結することによって構成されている。水冷ジャケット１０ａについて説明すると、この水冷ジャケット１０ａには複数の冷却フィン３０が多段状に配置されていると共に、ジャケット本体２０ａの図４における右側の側縁部にはジャケット本体２０ａの縦方向（図４における上下方向）に沿って平面状の取付部２１（図２）が形成されている。また、冷却フィン３０が設けられた側とは反対側（炉外側）の上部にはジャケット本体２０ａの内部に配置した冷却水路１１へ冷却水を供給するための供給口１２及び冷却水路１１からの冷却水を排出するための排出口１３とが配置されている。冷却水路１１は、ジャケット本体２０ａの上部側に設けられた供給口１２から内部を通って下へ伸びた後、略直角に折り曲げられてジャケット本体２０ａの底部側近傍を幅方向に進み、さらに略直角に折り曲げられてジャケット本体２０ａの上部へ至り、最後に排出口１３に至るように配管されている。

一方、水冷ジャケット１０ｃは、水冷ジャケット１０ａと左右対称の形状に形成されており、ジャケット本体２０ｃの図４における左側の側縁部にはジャケット本体２０ｃの縦方向（図４における上下方向）に沿って平面状の取付部２１（図２）が水冷ジャケット１０ａと同様に形成されている。そして、ジャケット本体２０ｃの内部に配置した冷却水路１１へ冷却水を供給排出するための供給口１２と排出口１３が配置されている。

さらに、水冷ジャケット１０ｂは水冷ジャケット１０ａと水冷ジャケット１０ｃとの間に配置され、図４における左側の側縁部に水冷ジャケット１０ａの取付部２１と密着される取付部２２がジャケット本体２０ｂの縦方向（図４における上下方向）に沿って形成されており、取付部２１に複数穿設された図示しない孔部を介してボルトなどの締着部材１４によって両者が連結されている。同様にして、水冷ジャケット１０ｂは水冷ジャケット１０ｃに対しても、図４における右側の側縁部に水冷ジャケット１０ｃの取付部２１と密着される取付部２２がジャケット本体２０ｂの縦方向（図４における上下方向）に沿って形成されており、ボルトなどの締着部材１４によって両者が連結されている。これにより水冷ジャケット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは一体化され、水冷ジャケット１０を構成している。このように、水冷ジャケット１０を３分割して構成するのは、水冷ジャケット１０の設置及び更新工事等の施工時におけるハンドリング及び冷却水路１１のレイアウト等を考慮したためである。具体的な幅サイズとしては水冷ジャケット１０ａ，１０ｃが約４００ｍｍで、水冷ジャケット１０ｂが６００ｍｍ程度、すなわち４００〜６００ｍｍ程度とすることができる。また、溶湯の湯深に合わせて高さは１，０００〜１，３００ｍｍ程度とすることができる。

水冷ジャケット１０ａ〜１０ｃのジャケット本体２０ａ，２０ｂ，２０ｃには複数の冷却フィン３０がそれぞれ所定の間隔で多段状に配置されている。冷却フィン３０の配列、本数、長さ及び形状は特に限定されるものではないが、例えば、耐火物層３１（図３）を接合保持しやすく、且つ、耐火物層３１が溶損したときに同時にスラグコーティングが可能なレイアウト、長さ及び形状（断面等）とする。

［耐火物層の構成］
次に、水冷ジャケット１０の炉内側に位置する耐火物層について説明する。冷却フィン３０の相互間（図２のスペース３２）及び最上部及び最下部の冷却フィンの片側の隙間には、図３に示すように、耐火物層３１が形成されている。自溶炉１はその稼働時に下側からマットレベル（Ｍレベル）１０１、スラグレベル（Ｓレベル）１０２及びガスレベル（Ｇレベル）１０３の３つのレベルが形成される。一例を示すと、自溶炉１におけるマットホールレベルを０ｍｍとした場合、マットレベルが６００〜８００ｍｍ、スラグレベルが７００〜１，３００ｍｍである。また、マット抜きの際の溶湯レベルはマットレベルが５００〜７００ｍｍ、スラグレベルが７００〜１，２００ｍｍであり、スラグ抜きの際の溶湯レベルはマットレベルが６００〜８００ｍｍ、スラグレベルが７００〜１，０００ｍｍである。反応シャフト２の直下のスラグレベル１０２及びガスレベル１０３はマットレベル１０１に比べてより高温に晒されること、ならびに溶湯レベルの変動によりガスと溶湯界面が移動する範囲であり負荷変動が大きいために溶損し易く、このスラグレベル１０２及びガスレベル１０３に焼成マグネシアクロミア耐火煉瓦を用いた場合、スラグレベル１０２及びガスレベル１０３の耐火煉瓦は６カ月程度で溶損しはじめるおそれがある。

そこで、図３に示すように、ガスレベル１０３及びスラグレベル１０２に対向する冷却フィン３０の相互間（上下方向の両側の隙間）に耐火煉瓦を充填し、さらに該冷却フィン３０の先端面を所定の厚み（例えば１００ｍｍ）に覆うようにしてＣｒ_２Ｏ_３（クロミア）を多く（例えば、６０〜８０％（通常の耐火物層のＣｒ_２Ｏ_３含有量は１５％程度）含んだ耐火物層３１（不定型耐火物）が形成される。その一方、スラグレベル１０２及びガスレベル１０３よりも負荷が低いマットレベル１０１に対向する冷却フィン３０の相互間には焼成煉瓦（例えば、焼成マグネシアクロミア耐火煉瓦）による耐火物層３１（定型耐火物）を介在させている。

［水冷の方法］
次に、水冷ジャケット１０による水冷の方法について説明する。自溶炉１においては冷却水路１１の供給口１２から所定の流速で冷却水を流し、それを排出口１３から排出することによって耐火物層３１を積極的に冷却して自溶炉の安定操業を行うことが出来る。また、冷却水路１１への冷却水の流量を適宜調整することで冷却の強弱を調整することが出来る。この場合、熱電対４０による常時監視のデータを利用して測定温度が上昇した場合には冷却水の流量を増やし、温度が安定してきたら冷却水の流量を減らす等の調整をコンピュータ管理によって行わせることも出来る。

［冷却フィンの形状］
次に、冷却フィン３０の形状について説明する。図２に示すように、水冷ジャケット１０の冷却フィン３０は、略水平な姿勢で上面及び底面を有した概略板状のフィンであって、略鉛直方向にかけて略等ピッチで複数配列されている。上面及び底面が非水平となるように冷却フィン３０の姿勢を変更することも可能であるが、耐火物層３１が溶損した後に形成されるスラグコーティングの保持の観点から、略水平とされること好ましい。また、冷却フィン３０の形状及びサイズは、設置部の熱負荷条件において、耐火物層を安定維持し、且つ適切な厚みのコーティングを形成するために必要な冷却能力に応じて決定される。尚、ジャケット本体２０は冷却水によって冷却されているので、ジャケット本体２０と一体鋳造で形成される冷却フィン３０は熱伝導により冷却され、冷却フィン３０の相互間に充填された耐火物層３１が溶損したときに、冷却フィン３０の相互間をジャケット本体２０に向かって進行してくる溶湯は冷却されて凝固し、スラグコーティングとして冷却フィン３０の相互間に保持されるので、冷却フィン３０が残存している状態であればジャケット本体２０が直接溶湯と接触することはない。

［水冷ジャケットの寸法］
次に、水冷ジャケット１０の寸法について説明する。水冷ジャケット１０の厚さは、約１００〜２００ｍｍに設定され、冷却フィン３０の厚さは、約３０〜８０ｍｍに設定され、冷却フィン３０の間隔（スペース３２の厚さ）は、冷却フィン３０の厚さと同様の約３０〜８０ｍｍに設定される。自溶炉１の通常の操業状態において、スラグの厚さは約４００〜７００ｍｍ、マットの厚さは約６００〜８００ｍｍ、スラグとマットを合わせた最大湯深は約１，４００ｍｍであるので、これに適合するよう水冷ジャケット１０の高さ（冷却フィン３０の配列数）が設定される。また、自溶炉１の通常の操業状態において、スラグ及びマットの温度は約１，２００〜１，３００℃であるので、これに適合するよう冷却フィン３０の幅サイズや突出長さが設定される。ここで、冷却フィン３０の突出長さは、ジャケット本体２０ａ〜２０ｃの表面から例えば約１００ｍｍ〜約２００ｍｍに設定することができる。

［自溶炉の熱負荷分布］
ここで、図６は比較例における熱負荷の分布を説明する図である。比較例は、本実施形態の自溶炉１と同様の構成を有した自溶炉であるが、セットラ（溶湯保持部）の周壁の全周に亘り水冷ジャケット１０の冷却性能が一様である点において本実施形態の自溶炉１と相違する。図６において符号３で示すのは、比較例のセットラを水平面で切断してできる概略断面であり、図６において符号２で示すのは反応シャフトの直下に位置する領域であり、図６のグラフは、セットラの炉内壁面にかかる熱負荷分布を示すグラフである。図６に示す４つのグラフは、セットラの周壁である４つの炉内壁面の水平方向における熱負荷分布をそれぞれ示している。グラフの縦軸は熱負荷（Ｍｃｌ／ｈ）であり、グラフの横軸は水平方向の位置である。なお、熱負荷の値は、冷却水抜熱量に基づき計測することができる（後述する熱電対を用いてもよい）。

図示されたとおり、反応シャフトの直下では熱負荷が５０Ｍｃａｌ／ｈ以上のエリアが存在しているが、反応シャフトから離れるに従って熱負荷が低くなり、熱負荷が２Ｍｃａｌ／ｈ程度と低いエリアも存在している。操業条件によって熱負荷の絶対値は変化するものの、セットラの炉内壁面における熱負荷の分布自体は、図６に示すような分布又はこれに近い分布になると考えられる。

［エリア毎の水冷ジャケット］
次に、本実施形形態に係る自溶炉１の特徴的な構成（比較例との相違点）を自溶炉１の操業方法と共に説明する。

先ず、自溶炉１の操業者（又は管理者）は、比較例のセットラ（溶湯保持部）の炉内壁面側における熱負荷分布（図６）を測定し、測定された熱負荷分布（図６）に基づいて、当該炉内壁面側を、熱負荷の異なる２以上のエリアに区分する（図７（Ａ））。自溶炉１の操業者（又は管理者）は、図７（Ａ）に示すとおり、セットラ３の幅方向に対向する２つの炉内壁面を、例えば、熱負荷が５０Ｍｃａｌ／ｈ以上となり得る高負荷エリアＡ_Ｈと、熱負荷が２５Ｍｃａｌ／ｈ以上５０Ｍｃａｌ／ｈ未満に収まる中負荷エリアＡ_Ｍと、熱負荷が２５Ｍｃａｌ／ｈ未満に収まる低負荷エリアＡ_Ｌの３つに区分する。図７（Ａ）に示すとおり、高負荷エリアＡ_Ｈは、反応シャフト２の下方に位置するエリアであり、低負荷エリアＡ_Ｌは、アップテイク４（図１参照）の下方に位置するエリアであり、中負荷エリアＡ_Ｍは、高負荷エリアＡ_Ｈと低負荷エリアＡ_Ｌとの間に位置するエリアである。そして、自溶炉１の操業者（又は管理者）は、それぞれ区分されたエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケット１０をそれぞれ配置し、セットラ３の周壁を形成する。中負荷エリアＡ_Ｍに配置される水冷ジャケット１０の冷却能力は、高負荷エリアＡ_Ｈに配置される水冷ジャケット１０の冷却能力よりも低く設定され、低負荷エリアＡ_Ｌに配置される水冷ジャケット１０の冷却能力は、中負荷エリアＡ_Ｍ及び高負荷エリアＡ_Ｈに配置される水冷ジャケット１０の冷却能力よりも低く設定される。

ここで、３つのエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの間で水冷ジャケット１０の冷却能力に差を設けるためには、３つのエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの間で水冷ジャケット１０のパラメータに差異を設ければよい。差異を設けるべきパラメータとしては、ジャケット本体２０の厚さ、冷却フィン３０の材質、冷却フィン３０の突出長さ、冷却水の水量などが挙げられる。特に、本実施形態では、図７（Ｂ）に示すとおり、３つのエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの間で冷却フィン３０の突出長さに差異を設けている。

自溶炉１の操業者（又は管理者）は、図７（Ｂ）に示すとおり、例えば、高負荷エリアＡ_Ｈに設置される冷却フィン３０の突出長さを最長の２００ｍｍに設定し、中負荷エリアＡ_Ｍに設置される冷却フィン３０の突出長さを中程度の１５０ｍｍに設定し、低負荷エリアＡ_Ｌに設置される冷却フィン３０の突出長さを最短の１００ｍｍに設定する。なお、３つのエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの間では、冷却フィン３０の突出長さを除いて水冷ジャケット１０の各種寸法は共通である。

このように、セットラ３の周壁のうち熱負荷の低いエリアほど冷却フィン３０の突出長さを短く設定すれば、セットラ３の全周に亘って突出長さを最長に設定した比較例（図６）と比較して、突出長さを短くした分だけ溶湯保持容積が拡大される（図７（Ａ））。従って、本実施形態の自溶炉１は、炉体外郭サイズが従来と同じであっても溶湯保持容積を拡大することが可能となる。

［水冷ジャケットの炉外面］
また、本実施形態の自溶炉１では、少なくともセットラ３の周壁に配置された水冷ジャケット１０は、図３に示すとおり、炉外側に耐火層（不定形耐火物、定型耐火物などの耐火物層）を設けることなく剥き出しの状態とされる。よって、耐火物層を備えない分だけ水冷ジャケット１０を自溶炉１の炉体外郭サイズの限界位置まで下げて配置することができるのでその分だけ溶湯保持容積の増大を図ることができる。また、水冷ジャケット１０の炉外面（背面）に耐火物層を設けなかったことで、水冷ジャケット１０の炉外面（背面）からの直接的な放熱が可能となり、熱拡散効率の向上、省エネルギ化を図ることができる。

［実施形態の効果］
以上説明したとおり、本実施形態に係る自溶炉１は、セットラ３の炉内壁面側における熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケット１０を配置しているので（図７参照）、熱負荷の低いエリアにおける過剰な冷却（除熱）が抑制されることとなり、これによって当該エリアにおける過剰な炉内コーティング（鋳付き）の生成が防止され、ひいては炉内溶湯保持容積の縮小（炉内埋り）を防止することが可能である。よって、自溶炉１の炉体外郭サイズを変更することなく溶湯保持容積を拡大することができるという効果がある。

また、本実施形態に係る自溶炉１は、セットラ３の炉内壁面側における熱負荷に応じて冷却フィン３０の突出長さが異なる水冷ジャケット１０を配置しているので（図７参照）、熱負荷が低いエリアについては冷却フィン３０の突出長さを積極的に短くすることができ、その分だけ自溶炉１の炉内溶湯保持容積を拡大することができる。また、冷却フィン３０の突出長さを短くした分だけフィン材料（主に銅）の過剰な使用を抑制し、軽量化も可能なので施工面で有利である。

また、本実施形態に係る自溶炉１は、セットラ３の炉内壁面側における熱負荷の低い箇所に設置する水冷ジャケット１０の冷却フィン３０の突出長さは熱負荷の高い箇所に設置する冷却フィン３０の長さよりも相対的に短くしたので（図７参照）、炉内壁面の各箇所を過不足なく効率的に冷却できると共に、自溶炉１の外郭サイズを変更することなく炉内溶湯保持容積を拡大できるという効果が確実に得られる。

また、本実施形態に係る自溶炉１において、少なくともセットラ３の周壁に位置する水冷ジャケット１０は、炉外側に耐火層を設けることなく剥き出しの状態であるので（図３参照）、水冷ジャケット１０の炉外面（背面）からの直接的な放熱が可能となり、熱拡散効率の向上、省エネルギ化を図ることができる。

また、本実施形態に係る操業方法は、セットラ３の炉内壁面側における熱負荷分布を測定するステップと、測定された熱負荷分布に基づいてセットラ３の炉内壁面側を熱負荷の異なる２以上のエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌに区分するステップと、区分されたエリアＡ_Ｈ、Ａ_Ｍ、Ａ_Ｌの熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケット１０を配置するステップとを含むので、自溶炉１の炉体外郭サイズを変更することなく炉内溶湯保持容積を拡大することが可能である。また、炉内溶湯保持容積の拡大によってスラグ滞留時間を長く確保できるので、スラグロスの維持又は改善を図ることができる。例えば、本実施形態の自溶炉１は、セットラ３の熱負荷が相対的に低いエリアにおける冷却フィン３０の突出長さを図７（Ｂ）に示すとおり積極的に短縮したものであり、フィン長さに相当する炉内容積を確保できることに加え、冷却能力の適正化により過剰な炉内面のコーティング形成を抑制し、適正なコーティング厚みを維持可能となり、当該突出長さを何ら短縮しなかった比較例（図６）と比較して、１５％ほど炉内溶湯保持容積を増加させることができた。このように、炉内溶湯保持容積の増加が可能となればスラグ滞留時間を適切に確保できることに加え、マットとスラグの界面積を大きく維持でき、一定量生成する中間層の厚みを増大させることなく操業が可能となるので、例えば、原料装入量２２０ｔ／ｈ、カワ品位６５％の条件下であってもスラグロスを０．８％以下に維持することができる。

［冷却フィンのレイアウトについて］
上述した実施形態において、水冷ジャケット１０ｂの各冷却フィン３０は、図８に示すように、両側の水冷ジャケット１０ａ，１０ｃの冷却フィン３０に対し設置位置が異なる千鳥配置になるように高さをずらして配置してもよい。このような千鳥配置を実現するために水冷ジャケット１０ｂの最上部に位置する冷却フィン３０と最下部に位置する冷却フィン３０の厚さは他の冷却フィン３０の厚さのほぼ２倍の厚さにすることができる。これにより冷却フィン３０と耐火物層３１が挟み込まれる空間部が千鳥配置となり、耐火物層３１は上下左右方向に位置する冷却フィン３０及びジャケット本体２０の表面の５方向から効率的に冷却されることになる。また、ジャケット本体２０は冷却フィン３０と耐火物層３１によって溶湯とは直接接触しないのでジャケット本体２０の溶損が効果的に抑制され、それによって水漏れトラブルから守られることになる。尚、水冷ジャケット１０の分割形状は上述した構造に限るものではなく、水冷ジャケット１０ａ，１０ｂを一つのユニットとして左右に連続配置することも可能である。

［エリア数について］
また、上記実施形態では、冷却能力の異なるエリアの数（区分数）を「３」としたが（図７参照）、区分数は「３」に限定されることはなく「４以上」にすることもできるし、「２」にすることもできる。

［エリア最小単位について］
また、冷却能力の異なるエリアのサイズは、上記実施形態におけるそれに限定されることはない。例えば、エリアの最小単位は、水冷ジャケット一つ分（又はこれを構成するパーツ一つ分）としてもよいし、冷却フィン一つ分としてもよい。

［区分パターンについて］
また、上記実施形態では、セットラ３の周壁を横方向（水平方向）にかけて区分したが、縦方向（鉛直方向）にかけて区分してもよい。

［フィンの厚さについて］
また、上記実施形態では、セットラ３の周壁における熱負荷冷却フィン３０の厚さを均一としたが、熱負荷の低いエリアほど厚さを小さくしてもよい（耐火物層を厚くしてもよい）。

［対象となる壁面について］
また、上記実施形態では、冷却能力に分布を設ける壁面を、セットラ３の巾方向（図７の上下方向）に並ぶ１対の壁面としたが、セットラ３の長さ方向（図７の左右方向）に並ぶ１対の壁面としてもよいし、セットラ３の全ての周壁としてもよい。また、自溶炉１の他の壁面（反応シャフト２の周壁など）としてもよい。例えば、反応シャフト２の周壁の熱負荷分布に応じて、当該周壁に配置される水冷ジャケットの冷却能力を設定してもよい。

［温度監視について］
また、水冷ジャケット１０には冷却フィン３０の溶損進行度を把握するために３つの熱電対４０が配置されている。図９は熱電対による温度監視の説明図である。３つの熱電対４０によって測定された温度データは、図９に示すコンピュータ５０を用いて解析することによって冷却フィン３０の溶損進行度を常時監視するようになっている。３つの熱電対４０は、水冷ジャケット１０ａ〜１０ｃに設けられた所定の冷却フィン３０の基端部に取り付けられており、この部分で測定された温度が図示しない制御室に設置されたコンピュータ５０に常時取り込まれて監視される。この温度によって冷却フィン３０の溶損の進行状態を把握することができる。コンピュータ５０は測定温度に基づいて冷却フィン３０の寿命を推定し、音や光（ランプ）による警報、プリントアウト等により保安要員等に警告及び通知する。これを基に保安要員等は、予め交換の必要な水冷ジャケット１０を準備しておくことにより、長時間の操業停止等を回避することが可能になる。また、予めコンピュータ５０に所定の温度を設定しておき、熱電対４０による測定温度がその設定温度になったときに水冷ジャケット１０の交換を促す警報を行うように構成することも可能である。尚、熱電対４０の数は３つとしたが、これに限るものではなく、１又は複数を設けることも可能である。

［その他の実施の形態］
本発明は各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

また、金属製錬炉の一例として自溶炉及びその操業方法に係る実施形態について説明したが、本発明は自溶炉に限らず水冷ジャケットを備えた炉の全般に採用可能である。また、銅以外の金属の製錬にも適用が可能である。

１ 自溶炉
１ａ 炉底部
２ 反応シャフト
２ａ バックステイ
３ セットラ
４ アップテイク
７ 精鉱バーナ
８ 酸素富化空気供給部
１０ 水冷ジャケット
１０ａ 水冷ジャケット
１０ｂ 水冷ジャケット
１０ｃ 水冷ジャケット
１１ 冷却水路
１２ 供給口
１３ 排出口
１４ 締着部材
２０ ジャケット本体
２０ａ ジャケット本体
２０ｂ ジャケット本体
２０ｃ ジャケット本体
２１ 取付部
２２ 取付部
３０ 冷却フィン
３２ スペース
３１ 耐火物層
３４ スペーサ
４０ 熱電対
５０ コンピュータ
１０１ マットレベル
１０２ スラグレベル
１０３ ガスレベル
２０１ａ ジャケット本体
２０１ｂ ジャケット本体
２００ 自溶炉
２０１ 反応シャフト
２０２ セットラ
２０５ マットタップホール
２０６ スラグタップホール
２０３ アップテイク
２０４ 精鉱バーナ
２２０ 錬かん炉

Claims (5)

1. 金属製錬炉の炉内壁面側における熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置することにより、炉体の外郭サイズを変えることなく炉内容積の拡大を可能としたことを特徴とする金属製錬炉。
2. 請求項１に記載の金属製錬炉において、
   炉内壁面側における熱負荷に応じて前記フィンの長さが異なる水冷ジャケットを配置したことを特徴とする金属製錬炉。
3. 請求項２に記載の金属製錬炉において、
   炉内壁面側における熱負荷の低い箇所に設置する水冷ジャケットのフィンの長さは熱負荷の高い箇所に設置するフィンの長さよりも相対的に短くしたことを特徴とする金属製錬炉。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の金属製錬炉において、
   前記水冷ジャケットは、炉外側に耐火層を設けることなく剥き出しの状態としたことを特徴とする金属製錬炉。
5. 金属製錬炉の炉内壁面側における熱負荷分布を測定するステップと、
   測定された熱負荷分布に基づいて熱負荷の異なる２以上のエリアに前記炉内壁面側を区分するステップと、
   区分されたエリアの熱負荷に応じて冷却能力の異なる水冷ジャケットを配置するステップと、
   を含み構成されていることを特徴とする金属製錬炉の操業方法。

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